鈦-鋼復(fù)合板的焊接研究 |
[ 來(lái)源: | 作者:本站 | 發(fā)布時(shí)間:2018-04-09 | 瀏覽:452次 ] |
摘要:鈦鋼復(fù)合板常應(yīng)用于耐腐蝕性壓力容器的制造,其制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家有成熟的經(jīng)驗(yàn)。該文對(duì)鈦鋼復(fù)合板焊接時(shí)存在的難度和特殊性做了比較全面的敘述。對(duì)焊接用保護(hù)罩進(jìn)行了精心的制作,分析了鈦材在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生的缺陷及處理方法。尤其是對(duì)坡口形式、焊材選擇、參數(shù)確定、氣體保護(hù)方案和清潔措施進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。
1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求 該大型醋酸母液罐體直徑為5400mm,高為9600mm,材質(zhì)為T(mén)A1+16MnR,厚度為14mm(12mm+2mm),介質(zhì)為醋酸、水。設(shè)備制造檢驗(yàn)驗(yàn)收應(yīng)符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》;GB/T 150-1998《鋼制壓力容器》;GB/T13149-1991《鈦及鈦合金復(fù)合板焊接技術(shù)條件》;JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》的規(guī)定,且必須滿足本規(guī)定的要求。
2 焊接技術(shù)要求 2.1焊縫表面要求 碳鋼焊縫表面不得有氣孔、咬邊、裂紋等表面缺陷,鈦焊縫(包括熱影響區(qū))表面以銀白色、金黃色、局部少量藍(lán)色為合格。
2.2焊縫檢驗(yàn)要求 焊縫、16MnR部分需進(jìn)行20%射線探傷,按JB 4730-1994標(biāo)準(zhǔn),Ⅱ級(jí)合格。所有復(fù)合層及接管內(nèi)焊接完畢,均需對(duì)焊縫全部長(zhǎng)度進(jìn)行著色檢驗(yàn)。本試驗(yàn)應(yīng)用可靠的純白色顯影劑,同時(shí)在碳鋼焊接的檢漏孔通入294MPa的空氣后氬氣,用肥皂水進(jìn)行泄露檢查,所有鈦焊縫都要進(jìn)行氦氣檢漏試驗(yàn),水壓試驗(yàn)后鈦襯里的 蓋板初焊縫還要進(jìn)行著色檢驗(yàn),最終容器進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)。
3鈦材焊接所面臨的影響
(1)做好焊前準(zhǔn)備。嚴(yán)格清洗焊縫表面,杜絕氫、氧、氮的侵入。 (2)選用精確的氬氣流量計(jì)以控制氣流量。氣體流量的選擇以達(dá)到良好的保護(hù)效果為準(zhǔn),氬氣流量大小對(duì)保護(hù)有著相當(dāng)?shù)挠绊?,過(guò)大的流量不容易形成穩(wěn)定的氣流層,反而在保護(hù)區(qū)內(nèi)形成紊流,使有害氣體浸入熔池,使焊縫表面容易出現(xiàn)微裂紋。過(guò)小的氣流使保護(hù)不到位,達(dá)不到保護(hù)效果,拖罩中的氬氣流量不足時(shí),焊縫呈現(xiàn)出不同的氧化色澤。 (3)加強(qiáng)焊縫保護(hù)。焊接時(shí),不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū);斷弧及焊縫收尾時(shí),要繼續(xù)通氬氣保護(hù),直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到100℃以下時(shí)方可移開(kāi)焊槍。
3.2焊接接頭裂紋問(wèn)題
3.3焊縫中的氣孔問(wèn)題 (5)焊接時(shí)采用小的熱輸入,最好采用脈沖氬弧焊,既可改善接頭塑性,減小過(guò)熱和粗晶、減小變形,又可增加了熔深,減小了氣孔的產(chǎn)生。 3.4酸母液罐的特殊性 1屬于壓力容器范疇 醋酸母液罐不能像其他設(shè)備那樣可隨時(shí)停下檢修。如果突然停止運(yùn)行,就會(huì)給一條生產(chǎn)線間接和直接的經(jīng)濟(jì)損失是非常大的。由于儲(chǔ)罐本身是化工廠的關(guān)鍵壓力容器,工作要求很高,加上又是鋼鈦復(fù)合板的高難度焊接,這無(wú)疑對(duì)焊接的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了相當(dāng)高的要求,任何一點(diǎn)小小的疏忽,將會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至是人身傷亡。因此,他對(duì)焊接的要求特別的嚴(yán)格,焊完的焊縫需滿足下面幾點(diǎn)要求: ① 與母材等強(qiáng)性 ②與母材等塑性 ③與母材等耐蝕性
2 工作條件惡劣 ① 載荷。除承受靜載荷外,還承受低周疲勞載荷,局部區(qū)域受力情況比較復(fù)雜且容易超負(fù)載運(yùn)行。 ② 環(huán)境溫度。在高溫高壓下工作 ③ 介質(zhì)。有水、腐蝕性的醋酸
4鈦-鋼復(fù)合板對(duì)接接頭的設(shè)計(jì) 鈦和鋼是不能直接熔焊的,因?yàn)橐簯B(tài)下鈦與鋼會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物而嚴(yán)重的脆化,因而無(wú)法焊接。選用的鈦-鋼復(fù)合板的焊接接頭形式坡口形式及尺寸如圖1:圖1為對(duì)接焊縫上加鈦蓋板,先焊16MnR的1、2、3部分,第4道焊完冷卻后磨平,底層用碳弧氣刨清根,再焊第5層(1-5用焊條電弧焊)。在焊縫4上鋪鈦板b,保證壓緊平整,最后鋪焊鈦蓋板a。
5保護(hù)罩的制作 鈦材焊接時(shí)用的保護(hù)罩是十分重要的。一個(gè)技能嫻熟的焊工,沒(méi)有一個(gè)好的保護(hù)罩,即使焊縫焊得再漂亮,焊后全部氧化變色,這道焊縫仍舊是不合格的,而且要報(bào)廢。 筒體的A、B焊縫的保護(hù)罩如圖2。這個(gè)罩就是對(duì)常用的保護(hù)罩做了一些改進(jìn),在進(jìn)氣管的下面放進(jìn)去一層不銹鋼絲球(超市有售),將其展平,在下面用粗一些的銅絲將網(wǎng)拖住,與罩的邊緣點(diǎn)固焊住即可。不銹鋼絲球?qū)又饕饸夂Y和分布的作用,使氬氣流動(dòng)更平穩(wěn),焊接保護(hù)效果更好。然后將制作好的罩放在窗戶的玻璃上用嘴在進(jìn)氣口吹一大口氣,拿開(kāi)罩子看玻璃上的蒸汽是否均勻,如不均勻或有出氣多的地方要進(jìn)行修整,直至整個(gè)蒸汽面均勻?yàn)橹埂?傊还茏鋈魏涡问降耐姓?,罩子噴出的保護(hù)氣體應(yīng)該是層流,而不是束流。
6焊接 6.1焊接工藝評(píng)定 焊接工藝評(píng)定是保證醋酸母液罐筒體焊接質(zhì)量的重要措施。焊接工藝評(píng)定完成后,焊接工藝指導(dǎo)書(shū)或焊接工藝卡發(fā)給有關(guān)部門(mén)和焊工,焊工必須遵照實(shí)施,不得任意修改。鈦設(shè)備施焊前應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及規(guī)程要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。然后根據(jù)此焊接工藝評(píng)定在正式施焊前組織參加焊接的焊工進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn),以保證正式焊接中獲得較好的質(zhì)量。
6.2焊接材料的選擇 16MnR的焊接選用J507,焊前350℃烘干1小時(shí),而后放在保溫箱內(nèi)隨用隨??;TA1的焊接材料選擇,原則上采用與母材化學(xué)成分相同的純鈦材料,一般要求焊絲中有害雜質(zhì)越少越好,以保證焊縫與母材等強(qiáng)。由于從母材剪下的條寬窄有誤,還有毛刺,容易氧化,同時(shí)給焊縫性能帶來(lái)一定的影響,所以不能從母材上切取的方法來(lái)解決焊絲的問(wèn)題。選擇相應(yīng)的焊絲作為填充料,焊前將焊絲放在專(zhuān)用的酸洗槽內(nèi),嚴(yán)格按酸的比例進(jìn)行酸洗,而后放在保溫箱內(nèi)隨用隨取,焊前用白絲綢滲入丙酮后擦洗。酸洗到焊接的時(shí)間一般不超過(guò)2小時(shí),否則要放到干燥潔凈的環(huán)境中儲(chǔ)存,儲(chǔ)存時(shí)間不超過(guò)120小時(shí)。
6.3焊前準(zhǔn)備 在鈦材的焊接現(xiàn)場(chǎng)最好單獨(dú)劃分出一塊區(qū)域,非專(zhuān)業(yè)人員不得入內(nèi),以保護(hù)該區(qū)域的潔凈,所有施焊人員應(yīng)穿干凈工作服,戴針織手套或薄羊皮手套,不能戴棉線手套,進(jìn)入罐內(nèi)施焊,鞋要套上鞋套。 坡口及其兩側(cè)各50 mm以?xún)?nèi)的內(nèi)外表面及焊絲表面應(yīng)清除油污,并用細(xì)銼奧氏體不銹鋼絲刷、銑刀等機(jī)械方法清除氧化膜、毛刺和表面缺陷,清理工具應(yīng)專(zhuān)用,并保持清潔;經(jīng)機(jī)械清理后的表面,焊接前應(yīng)使用不含硫的丙酮或乙醇進(jìn)行脫脂處理,嚴(yán)禁使用三氯乙烯、四氯化碳等氯化物溶劑,不得將棉質(zhì)纖維附于坡口表面。根據(jù)技術(shù)要求,焊前對(duì)施焊環(huán)境作了“菲繞琳”試驗(yàn),在焊縫周?chē)隽恕拌F離子”污染試驗(yàn),經(jīng)試驗(yàn)合格后才進(jìn)行施焊。 6.4裝配 為了減少焊接變形,焊前需進(jìn)行定位焊,定位焊縫應(yīng)采用與正式焊接相同的焊接材料及焊接工藝,即所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護(hù)條件應(yīng)與焊接接頭焊接時(shí)相同。焊前清除焊絲表面和焊接坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的氧化層、油污、水分、銹蝕等,且應(yīng)由合格焊工施焊,定位焊焊在基層焊縫上,焊縫長(zhǎng)度宜為10一15mm,間距為100-150mm,高度不應(yīng)超過(guò)壁厚的1/3。間隙0-1mm,鈍邊0-1.0mm。焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣及氧化變色等缺陷,當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)應(yīng)及時(shí)消除。
6.5焊接順序
6.6焊接工藝參數(shù) 16MnR系列壓力容器板具有良好的綜合性能和低溫沖擊韌性,時(shí)效敏感性、缺口敏感性低,焊接性能優(yōu)能優(yōu)良(厚度在30mm以下時(shí),焊前一般不預(yù)熱,焊后可不熱處理),可用手工電弧焊進(jìn)行焊接,既容易保證焊縫質(zhì)量,又能提高熔敷效率,在此對(duì)其焊接工藝參數(shù)不作詳細(xì)說(shuō)明。 鈦的焊接考慮到板薄,焊接量小,用氬弧焊焊接能保證各方面的要求。鈦蓋板角焊縫焊接工藝參數(shù)可見(jiàn)下表:
附:工藝參數(shù)的選擇依據(jù) 1)焊接電流 如采用大電流,焊接時(shí)非常的順暢,但焊縫的晶粒粗大,性能差,焊縫周?chē)桩a(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。所以應(yīng)控制焊接電流上限,在確定蓋板角焊縫的電流時(shí)第1遍自熔,第2遍加絲,焊接電流為130-140A. 2)電弧電壓 選擇電弧電壓實(shí)際上就是選擇電弧的長(zhǎng)短,常用的氬弧焊機(jī)沒(méi)有電壓選擇鈕,應(yīng)盡量使電弧短一些,以控制電弧電壓在14-16V之間。 3)焊接速度 鈦材在焊接時(shí)的導(dǎo)熱性很差,電流和速度要匹配好,否則熔合不好。經(jīng)試驗(yàn),焊接電流在130-140A時(shí),焊接速度為160-170mm/min較合適。 4)氬氣流量的確定 鈦在焊接時(shí)熔池后面的焊縫區(qū)100mm內(nèi)(包括焊縫和熱影響區(qū)正反面)全部要在氬氣保護(hù)氛圍內(nèi)進(jìn)行冷卻,否則焊縫就要氧化變色,使性能下降。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整,最終確定的氬氣流量為:噴嘴10-11 L/min、托罩12-13 L/min、背面3-5 L/min 。
6.7焊接工藝及操作要點(diǎn) 1 氬氣純度應(yīng)不低于99.99%,露點(diǎn)在-40℃以下,雜質(zhì)總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.001%。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時(shí),應(yīng)停止使用,以防止影響焊接接頭質(zhì)量。 2 鈦板氬弧焊選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源,鎢極端部應(yīng)修磨成圓錐形,采用水平轉(zhuǎn)動(dòng)平焊。焊炬應(yīng)提前送氣,熄弧時(shí)應(yīng)采用電流衰減裝置和氣體延時(shí)保護(hù)裝置,延遲遞氣時(shí)間不少于15秒,避免焊縫遭受到氧化、污染。
3 施焊中嚴(yán)禁采用擦弧引燃的方法。送氣軟管選用塑料管,不宜采用橡膠管輸送氬氣。保護(hù)罩的材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅,不得使用碳鋼。所用清理工具只能用于鈦,不得混用,在使用前應(yīng)清洗干凈。 4 采用焊炬噴嘴和焊炬拖罩保護(hù)熔池,噴出的氬氣應(yīng)保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)。焊接過(guò)程中電弧應(yīng)保持穩(wěn)定,防止鎢極與焊件或焊絲接觸造成夾鎢,當(dāng)出現(xiàn)夾鎢時(shí),應(yīng)消除缺陷后方可繼續(xù)施焊。
6清洗質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到焊接裂紋的產(chǎn)生,清洗質(zhì)量不好時(shí),會(huì)在母材及焊絲表面上生成一層灰白色的吸氣層,導(dǎo)致焊接裂紋和氣孔的產(chǎn)生,因此清洗時(shí)要注意以下幾點(diǎn):①先采用酸洗。酸洗液為2%~4%HF+30%~40%HNO3+H2O(余量)。最后用清水沖洗干凈并吹干,臨焊前用丙酮或酒精擦洗。②焊絲在酸洗后一般需要進(jìn)行脫氫處理,焊前再用丙酮脫脂。③嚴(yán)禁使用氧化物脫脂。④清洗時(shí)不得戴橡皮手套,以免橡皮和脫脂溶劑發(fā)生反應(yīng)使焊縫產(chǎn)生氣孔。⑤清洗后的焊口必須馬上焊完,不宜久放(一般不得超過(guò)4h),否則需要按前面步驟重新清洗。
7 在冬季低溫和夏季高溫時(shí)焊接鈦材都應(yīng)做好相應(yīng)的工藝準(zhǔn)備,避免因溫差懸殊而產(chǎn)生使材料性能下降的可能性。在施焊環(huán)境溫度底于5℃時(shí)禁止施焊。
6.8對(duì)焊縫返修的要求 ①應(yīng)分析缺陷產(chǎn)生的原因,提出相應(yīng)的返修方案 ②返修應(yīng)編制詳細(xì)的工藝,經(jīng)焊接責(zé)任工程師批準(zhǔn)后才能實(shí)施 ③同一部位的返修次數(shù)不宜超過(guò)2次。如超過(guò)2次以上的返修,需經(jīng)單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人的批準(zhǔn)。返修次數(shù)、部位、檢測(cè)結(jié)果,以及單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)字樣一并載入壓力容器質(zhì)量證明書(shū)的產(chǎn)品制造變更報(bào)告中 ④施工現(xiàn)場(chǎng)(工廠及工地)焊接記錄應(yīng)詳盡。其內(nèi)容應(yīng)包括天氣情況、返修長(zhǎng)度、焊接工藝參數(shù)(電流、電壓、速度、預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度、保溫溫度、保溫時(shí)間、焊材牌號(hào)、規(guī)格及焊接位置等)和施焊者及其鋼印等
⑤需焊后進(jìn)行熱處理的壓力容器應(yīng)在返修后。否則,焊接返修完,還要做一次熱處理。 ⑥壓力試驗(yàn)后需返修的,返修部位必須按原檢測(cè)方法要求檢測(cè)合格。由于焊接接頭或接管泄漏而進(jìn)行返修的,或返修厚度大于1∕2壁厚的壓力容器,還應(yīng)重新進(jìn)行壓力試驗(yàn) ⑦有抗晶間腐蝕要求的壓力容器,返修部位仍需保證原有的抗晶間腐蝕性能
7焊后熱處理 對(duì)該醋酸容器焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊后熱處理,可以提高斷裂韌性、降低殘余應(yīng)力水平,并使之較均勻的分布,在工藝較完善的前提下一般不需要焊后熱處理。但也可以進(jìn)行焊后退火消除應(yīng)力,退火需要在真空或氬氣的保護(hù)下進(jìn)行,退火溫度為610-620℃,時(shí)間為3小時(shí)。
8質(zhì)檢
壓力容器的檢驗(yàn)內(nèi)容主要有:對(duì)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能的常規(guī)理化檢驗(yàn);對(duì)焊接接頭的各種性能檢驗(yàn);對(duì)壓力容器各部分存在的各類(lèi)缺陷的無(wú)損檢測(cè);用于操作壓力的液體對(duì)容器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)等。詳細(xì)的質(zhì)檢見(jiàn)焊縫檢驗(yàn)要求。 總結(jié): 1 鈦焊接時(shí)的氣體保護(hù)問(wèn)題是影響焊接接頭質(zhì)量的首要因素。精心制作各個(gè)位置焊接時(shí)的保護(hù)罩是成功的關(guān)鍵。盡量采用小的熱輸入, 嚴(yán)格控制氫的來(lái)源,防止冷裂紋的產(chǎn)生,同時(shí)應(yīng)注意防止氣孔的產(chǎn)生。
2 在冬季低溫和夏季高溫時(shí)焊接鈦材都應(yīng)做好相應(yīng)的工藝準(zhǔn)備,避免因溫差懸殊而產(chǎn)生使材料性能下降的可能性。在施焊環(huán)境溫度底于5℃時(shí)禁止施焊。
3 只要嚴(yán)格按照焊接工藝要求施焊,并采取有效的氣體保護(hù)措施,即可獲得高質(zhì)量的焊接接頭。
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